Как искусственные гены меняют жизнь на Земле и в космосе

Объединенная команда биологов из Гарвардского университета и Массачусетского технологического института опубликовала в журнале Science результаты уникального эксперимента. Полностью заменив генетический код кишечной палочки, ученые вывели искусственную бактерию на природной основе, устойчивую ко всем существующим вирусам. Если подселить такую бактерию в организм человека, она обеспечит среду, в которой не смогут размножаться вирусы, в том числе обладающие устойчивостью к антибиотикам. А таких микроорганизмов, как известно, становится все больше, и это, по заявлению ВОЗ, уже стало проблемой мирового масштаба. Победить резистентность бактерий к антибиотикам, а также решить много других актуальных вопросов поможет синтетическая биология, которая стала сейчас одним из наиболее активно развивающихся научных направлений. И если, по оценке экспертов Global Industry Analysts, объем мирового рынка синтетической биологии еще в прошлом году составлял порядка $4,7 млрд, то в нынешнем он составит почти $11 млрд. 

Жизнь по кирпичикам

Синтетическая биология объединяет науку и инженерию для создания несуществующих в природе биологических систем с заданными функциями. То есть пока одни ученые исследуют геномы, другие заменяют в них природные элементы синтетическими для решения самых разных прикладных задач — от лечения заболеваний до биотехнологий будущего и проектирования космических систем.

На самом деле, первые реальные достижения синтетической биологии появились совсем недавно, когда  в конце 2010 г. в американском Институте Крейга Вентера создали  первую бактерию с полностью синтетическим геномом. Прошло пять лет, и ученые получили организм с минимальным геномом, то есть имеющий только самые необходимые для существования функции. На этой базе можно конструировать любые организмы с заданными свойствами, скажем, выделяющие в процессе жизнедеятельности спирт или молекулы полимеров, из которых можно делать пластмассу, или вид, который сможет пожирать вирусы или раковые клетки. 

Сейчас в сфере синтетической биологии работают много мировых лабораторий, но особенно активно это направление развивается в Массачусетском технологическом институте. Именно специалисты MIT  стали инициаторами создания обширного генетического банка, позволяющего создавать любой нужный организм, как это делают при проектировании обычной техники. Банк составляют биокирпичи (BioBrick) — фрагменты ДНК, чья функция строго определена и которые можно внедрить в геном клетки для синтеза заранее известного белка, обеспечивающего определенные функции. Все отобранные биокирпичи нормально взаимодействуют друг с другом, их легко включать в природную генетическую цепочку.

Кроме того, каждый кирпичик посылает определенные химические сигналы и взаимодействует с другими фрагментами кода. То есть искусственный фрагмент ДНК полностью приживается в клетке и воспринимается всеми ее компонентами как натуральный. Созданный MIT генетический банк существенно ускорил развитие синтетической биологии, и открытий в этой сфере стало гораздо больше.

Как настроить комара против малярии

Один из самых наглядных примеров синтетической биологии — генная инженерия, продуктом которой являются генномодифицированные организмы. Например, китайские ученые из Института генетики в Пекине вывели овец с повышенным содержанием в мясе жирных кислот Омега-3, а ученые канадского Университета МакГилла — коров с большей мышечной массой и сильным иммунитетом.

Много опытов проводится с комарами — распространителями опаснейших заболеваний, в том числе различных форм лихорадки. Так, ученые из Калифорнийского университета ввели насекомым искусственные гены, обладающие повышенной сопротивляемостью возбудителю малярии. После того как их выпустили в зонах наибольшего распространения заболевания, они постепенно заменяют диких носителей инфекции. Есть уже и комары с искусственными генами, устойчивыми к вирусу лихорадки денге.

В рамках синтетической биологии создают также модифицированные бактерии, которые могут производить сложнейшие дефицитные лекарства дешево и в промышленных объемах. А специалисты из Стэнфордского университета вывели бактерии-убийцы, способные не только найти, но и уничтожить рак. Такие эксперименты обычно проводят на базе кишечной палочки — E coli (Escherichia coli), которую проще всего запрограммировать на нужные свойства.

Эко-бактерии

По словам биоинженера из Стэнфордского университета Дрю Энди, синтетическая биология станет вскоре главной платформой для создания недорогих и эффективных производственных технологий. К примеру, специалисты компании Joule Unlimited сконструировали бактерию E coli, преобразующую углекислый газ в топливо. Ищут также новые способы по перепрограммированию других микробов с целью производства промышленных ингредиентов.

На днях швейцарские биологи из Базельского университета и Высшей технической школы Цюриха представили бактерии, внутри которых работает искусственный фермент, не имеющий природного аналога. В статье, опубликованной в журнале Nature, говорится, что этот белок, содержащий атомы металла, катализирует  промышленные химические реакции внутри живой клетки. Ученые уверены, что в будущем промышленность на биологической основе позволит отказаться от дорогостоящих, сложных химических процессов синтеза, которые используют высокие температуры, высокое давление и токсичные катализаторы, в пользу более эффективного и менее токсичного биохимического синтеза.

Спроектированные геномы могут привести к появлению альтернативных источников энергии, синтезу биотоплива, бактерий, которые помогут удалять излишки углекислого газа из атмосферы и пр. Одно из главных направлений исследований в сфере синтетической биологии — получение дешевой энергии. Над этим, в частности, работает лаборатория Крейга Вентера. Ученые создают биотопливо нового поколения на основе водорослей с измененным геномом. Такие микроорганизмы будут производить углеводороды, похожие по составу на органические вещества нефти. Все, что для этого нужно, — солнечный свет и вода. К слову, правительства развитых стран относятся к таким разработкам весьма внимательно. В частности, министерство энергетики США ежегодно выделяет на эксперименты Вентера от 80 млн до $115 млн. 

Космическая фармацевтика

Биолог Кристофер Карр, возглавляющий ряд программ по синтетической биологии в Массачусетском технологическом институте, говорит, что вскоре технологии позволят создавать необходимые лекарства прямо в ходе космических исследовательских миссий. Это можно сделать, к примеру, при помощи сенной палочки — почвенной бактерии B. Subtilis, генетически измененный вариант которой уже используется в промышленности для производства множества ферментов и других продуктов. Поскольку B. Subtilis способна переходить в состояние споры, можно создать целую коллекцию спор с заданными свойствами, чтобы в условиях космоса производить лекарства, поддерживать систему жизнеобеспечения, выращивать пищу и пр.

Синтетическую биологию будут применять и в непилотируемых миссиях на ближние и дальние планеты. В этом случае модифицированные организмы станут детекторами определенных органических соединений. Они смогут выявлять вещества, даже если их концентрация предельно низкая. В ответ на определенное вещество бактерии будут светиться, производя зеленый флуоресцентный белок. Активность B. Subtilis уже проверили в космических условиях: бактерия сохранила все свойства в условиях вакуума на низкой околоземной орбите. Для применения в космических программах у синтетической биологии действительно огромный потенциал: инструментами на основе модифицированных  бактерий можно будет заменить используемые сейчас сложные громоздкие системы.